化工自動化實訓設備研究＊

齊 洋

（寧夏工商職業技術學院，寧夏 銀川 750021）

“儀表是化工的眼睛”，而現代化工生產自動控制系統的普遍應用與不斷升級，在大幅度提高化工產品產量和質量以及生產安全性的同時，對操作人員的化工自動化知識和技能提出了更高要求，對化工儀器儀表維修工的要求也大大提高。化工儀表及自動化課程是化工類學生專業基礎必修課，該課程分為化工檢測儀表和化工自動化兩個部分，化工生產操作人員全面系統地學習自動化知識，對學生進入企業后的職業成長有著重要的作用。但一直以來，該課程的教學效果并不理想，學生畢業之后，對自動化仍然缺乏整體概念，對儀表的操作缺乏訓練。課程教學團隊為此做了基于項目化的教學改革、“一體化”教學改革以及基于CDIO模式的教學改革，而所有的教學改革都需要有相關的設備作為支撐[1]。為此，需要對實訓設備進行研究和設計，目的是對教學改革起到支撐作用及滿意的教學效果。

1 化工自動化設備的需求分析

1.1 化工儀器儀表維修工技能比賽和技能鑒定對設備的要求

技能比賽和技能鑒定的共同特點是，設備的使用者是具備一定實際工作經驗的專業儀表工，他們對化工自動化的內涵比較了解，訓練目標是提高操作技能水平。二者的區別是，技能比賽的主辦方會指定設備，而技能鑒定要求能夠開展足夠多的實操項目，滿足考核的需要。

1.2 化工儀表及自動化教學對設備的要求

為了適應培養高技能人才的需要，改進教學效果，化工儀表及自動化課程進行了基于項目化的“一體化”教學改革和基于CDIO模式的教學改革。“一體化”教學改革能夠充分發揮一體化教室、化工實訓裝置和教學資源庫的作用，形成教、學、做、考一體化的教學模式，改變以往學生在教室內學習，在化工裝置上不認識儀表，在實訓室不會操作儀表的狀況，實現實境教學，使學生真實體驗工作任務，對本課程的理解更加深刻。CDIO代表構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)，核心教育理念和教學方法是“做中學”和“基于項目的學習”，應用CDIO模式的教學改革，以進行自動控制系統設計和實踐為手段，學生把理論學習與實際應用相結合，在對學習認知的基礎上，進行自我反思，并在此過程中不斷獲取知識、調整學習方法，最終可以提高學生的基礎知識水平、職業技能水平、人際交往和團隊協作能力[2]。

教學改革的順利進行，需要有相關的實訓設備支撐，如果沒有合適的化工自動化實訓設備，任何教學改革必然淪為空談。為配合教學需要，化工自動化設備首先應該包括每一種典型儀表的實物及校驗設備，學生可以在學習過程中邊學邊練；其次應該包括簡單的綜合性實訓設備，幫助學生學習自動控制系統的構成和工作原理；最后還應該配備一些民用的自動化裝置，用以配合CDIO教學模式中的自動控制系統設計任務使用。

2 化工自動化實訓設備配置方案

根據研究分析的結果，可以確定化工自動化實訓設備配置方案應分為綜合性實訓設備、簡化版綜合實訓裝置、單表校驗裝置和DCS仿真組態軟件四個類型。

2.1 綜合性實訓設備

有很多教學儀器設備公司都能夠提供綜合性很強的實訓裝置，這樣的綜合實訓裝置可以用于進行模擬工業現場的仿真操作訓練，幫助學生和企業新進職工建立自動控制系統的整體概念，有些綜合實訓裝置作為技能大賽的指定設備，可以用于參賽選手培訓，也可以用于技能鑒定，所以綜合性實訓設備是必須配備的。

2.2 簡化版綜合性實訓設備

一般的化工自動化綜合實訓設備，特別是帶有單表校驗功能的設備，投入成本較高，設備能夠用于演示實驗，但無法負擔學生的頻繁操作，容易磨損消耗，往往連續使用兩三個月就開始出現各種故障，對設備的維護要求高，甚至由于操作不當可能會引起安全問題。而對學生和企業新進職工進行的培訓恰恰需要高強度的頻繁使用，而且由于專業基礎弱，出現各種意外損壞的可能性也比較高[3]。

作為補充，可以自己設計組裝一個簡化版的綜合實訓設備。選擇精度高、壽命長、口碑比較好、企業現場經常選用的儀表，搭建一個最簡單的小型自動控制系統，可以方便無專業基礎的學員建立自動控制系統，也可以用于頻繁的動手操作訓練。例如可以設計組裝一個室內溫度自動控制系統。系統由測溫元件、控制器、報警器、調節閥構成，所有儀表都采用工業現場用的品牌和型號，具有精度高、壽命長、操作方便的特點。在一塊儀表盤上，各種儀表都預先安裝到位，儀表盤上安裝端子排，將所有儀表的接線端子都用導線引到端子排上，方便接線，同時也可以保護儀表。使用時，先將各個儀表正確聯接，測溫元件檢測到室內溫度，把信號傳送給控制器，控制器經過計算，給調節閥發送一個開度信號，調節閥根據此信號開始動作，如果調節閥所在管線中有蒸汽，教室溫度就會隨之改變。由于不可能在管線中通入蒸汽，所以只能看到調節閥有一個全開/全關的動作（取決于溫度給定值的大小）。這套設備非常適合新進職工的培訓和學生的“一體化”教學。設備的使用非常靈活，可以根據需要，單獨操作測溫元件、控制器、報警器、調節閥，可以學習它們的接線、使用方法；此設備可以增加學習的趣味性，學員可以自由設置高/低報警值、給定值，然后用測溫元件測量不同溫度的水，甚至測量自己的體溫，觀察系統中的報警燈變化、調節閥動作情況。

2.3 壓力、溫度、液位檢測單表校驗裝置

綜合性設備雖好，但是局限性也比較大。在進行教學或者技能訓練時，經常要做“分解動作”，需要把自動控制系統的某個組成部分講得清楚明白，并進行有針對性的操作訓練。綜合實訓裝置可以展示完整的自動控制系統，卻不方便把某一塊儀表單獨取下來進行學習或訓練，因為實訓設備是大家共同調配使用的，這樣會做影響其他教師使用設備；另外，經常性地拆卸儀表很容易造成損壞，使整套裝置主要功能破壞，損失太大。所以，應該單獨配置流量、壓力、溫度、液位儀表及其校驗裝置。需要注意的是，所選用的儀表必須具有精度高、壽命長的特點，最好為企業比較認可的儀表廠家產品。建議使用橫河EJA或羅斯蒙特3051系列儀表，這類儀表一般能夠保證在工業現場連續使用五年以上精確度等級不降。

流量檢測儀表的種類比較多，但是不方便進行校驗，所以選擇配備容易校驗的差壓變送器（差壓流量計），對流量檢測部分的內容，在教學時以其他形式進行補充，例如應用CDIO模式的教學設計可以布置任務：撰寫流量計選型報告。

溫度檢測儀表配備：熱電偶K型、E型，熱電阻Pt100型、Cu100型，這樣方便在教學中讓學生想辦法區分兩種型號；還需要配備雙金屬溫度計、玻璃水銀溫度計、壓力式溫度計、醫用測溫槍等，方便教學使用。校驗裝置為可控溫度的加熱爐，油浴爐和干式爐均可。

液位檢測儀表選擇電浮筒液位計，這種儀表的操作是各種技能競賽的常考操作項目，又便于校驗，掛重法和水校法均可采用，儀表安裝于金屬筒中，配備連通器作為液位指示。

壓力檢測儀表可選用壓力變送器和彈簧管壓力表，一個是電遠傳壓力檢測儀表，一個是就地指示壓力檢測儀表。校驗裝置為壓力校驗臺，電動型和手動型均可。

2.4 DCS仿真組態軟件

通過第十二屆全國石油和化工行業職業技能競賽儀器儀表維修工比賽技能操作項目可以看出，對于化工儀器儀表維修工來說，基本的操作考核分為兩項，即在綜合實訓設備上進行的現場儀表調校及控制回路投運，以及在計算機上進行的DCS控制系統組態仿真。所以，從承辦比賽及參賽訓練的角度考慮，DCS仿真軟件是必須配備的。而DCS仿真軟件的用途不僅于此，使用DCS仿真組態軟件還可以對教學起到很好的輔助作用。

基于CDIO模式的一體化教學改革能夠幫助學生對化工裝置的自動控制系統理解更加深刻，建立良好的全局觀，為今后的學習打下良好基礎。進行檢測儀表知識教學時，針對化工生產過程控制四大參數（壓力、溫度、物位、流量）檢測及其自動控制系統，可以設計四個基本工作任務分別是：電壓力鍋壓力自動報警系統設計、魚缸（或電火鍋）溫度控制系統設計、魚缸液位自動控制系統設計以及流量檢測儀表選型報告。

為了配合CDIO模式的教學，可以配備以下設備：電壓力鍋、電接點壓力表、聲光報警器、水槽、加熱棒、電火鍋、雙金屬溫度計等，當學生完成一個設計任務，可以讓他們利用這些儀器設備親手搭建出實物來，用以檢驗設計方案的合理性。但這樣的做法存在局限性，主要在時間上不允許，學生沒有很好的專業基礎，其動手能力也需要一個訓練的過程，完成這樣的檢驗設計方案合理性的任務不但需要大量的時間，還需要教師花費大量的精力進行指導，適用于少數學生的課外興趣輔導，但日常教學授課時數緊張、教師少學生多限制，無法采用[4]。如果采用DCS仿真組態軟件，進行設計方案合理性模擬檢驗就可以解決這些問題。

教師指導學生使用DCS仿真組態軟件，可以把高壓鍋、魚缸等的設計方案繪制成帶控制點的工藝流程圖，然后進行仿真模擬運行，如果方案存在缺陷，在編譯環節軟件就會給出提示，比較容易地發現設計方案的問題，很好地配合了教學。

3 結語

配置合理的實訓設備，不但能夠滿足正常教學需要，還可以為教學改革的各種有益探索提供支撐，同時還能夠兼顧職業技能鑒定及技能比賽等各種需要，成為提高職業能力素質的良好平臺。